1. Contexte du projet
1.3. Les critères
1.3.1. Réduction des particules fines
1.3. Les critères
Les performances attendues du système sont détaillées ci-après. En sus des performances environnementales, des critères d’acceptation ont été établis sur les conditions d’une intégration acceptable à bord.
1.3.1. Réduction des particules fines
Les particules se décomposent en deux catégories :
- Les particules fines (PM10, PM2,5), réglementées à terre, qui sont un indicateur connu et suivi pour l’évaluation de la qualité de l’air, et qui se mesurent en masse ;
- Les particules ultrafines, ou nanoparticules (PM<1), non réglementées actuellement, bien que les plus dangereuses pour l’organisme, et qui se mesurent en nombre.
Voici les seuils réglementaires préconisés par l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS), dans les lignes directrices relatives à la qualité de l’air (édition 2005) :
Figure 8 : Extraits de la préconisations de l’OMS sur les émissions des PM en fonction de la durée d’exposition
La Méridionale a donc pris en compte deux critères dans son cahier des charges pour le taux de réduction des particules du système FAP :
- Cas des PM10/PM2,5 (mesure en masse) : un niveau d’émission < 10mg/m3 (cas d’installations à terre), selon les niveaux de fonctionnement suivants :
Figure 9 : Niveaux d’émissions en PM10 et PM2,5 fixés par La Méridionale
- Cas des nanoparticules PM<1 (mesure en nombre) : n’ayant aucun seuil réglementaire ou préconisation sur lesquels s’aligner, La Méridionale a décidé de prendre comme critère celui de la norme NF 779 classe F5, qui concerne les particules dont la taille est de 0,4µm, et dont le niveau de réduction se situe entre 40 et 60%.
1.3.2. Réduction de dioxyde de soufre (SO
2)
Seules les émissions dioxyde de soufre (SO2) sont actuellement réglementées dans le transport maritime. Une première réglementation concerne les zones SECA dites de faibles émissions (Sulphur Emission Control Area), situées en Mer Baltique, Mer du Nord, Amérique du Nord et Caraïbes, avec un seuil maximal d’émission de soufre en masse inférieur ou égal à 0,1%.
Depuis le 1er janvier 2020, la réglementation concernant les émissions de soufre pour le reste du globe s’est vue modifiée (Annexe VI convention MARPOL) : les navires ne doivent pas brûler du combustible dont la teneur en soufre est supérieure à 0,5% (contre 3,5% pour les cargos et 1,5% pour les navires à passagers avant cette date), ou bien doivent être équipés d’un système certifié de traitement de fumées répondant aux valeurs du ratio SO2/CO2 réglementés, voir ci-dessous l’extrait de l’annexe VI de la
Figure 10 : Valeurs du ratio SO2/CO2 des émissions admis par l’Annexe VI de la convention MARPOL, règles 14.1 et 14.4
Dans le cas du projet, même si ce n’est pas l’objet principal du test, deux niveaux de ratio sont donc retenus par La Méridionale :
- Cas la réglementation MARPOL 2020 (équivalent 0,5% S): --- 21,7 max - Cas de la zone SECA (équivalent 0,1% S) : --- 4,3 max
1.3.3. Contre-pression échappement
La contre-pression à l’échappement, liée au système de filtration, doit rester conforme aux préconisations du constructeur des moteurs. Le non-respect de cette préconisation peut engendrer des dysfonctionnements et une surconsommation des moteurs.
La valeur constructeur retenue dans le cahier des charges est une contre-pression totale de 30mbar, soit un maximum de 25mbar pour le système de filtre lui-même.
Les valeurs du critère de contre-pression retenues sont les suivantes :
Figure 11 : Valeurs de contre-pression à l’échappement
1.3.4. Consommation BICAR
®/Production résidu
Les valeurs de consommation de BICAR® dépendent du taux de soufre contenu dans le combustible, et du taux recherché en sortie (rapport stœchiométrique).
Les valeurs de production du résidu par rapport à la consommation de BICAR® sont de 8 pour 10 (1 tonne de BICAR® consommé produit 800 kg de résidu).
Les données retenues sont celles fournies par Solvay, selon un niveau attendu, et un niveau garanti (max), comme suit :
Figure 12 : Valeurs consommation BICAR®/Production résidu (source Solvay)
1.3.5. Vibrations
Lors de sa construction, le navire PIANA a obtenu de la société de classification Bureau Veritas la marque « CONF NOISE ». Cette marque donne des seuils de vibration à ne pas dépasser, et un relevé a été effectué dans toutes les zones du navire à l’époque.
Les valeurs retenues par La Méridionale pour ce critère sont celles enregistrées à l’époque, avec par exemple un niveau de vibrations de 4,2 mm/s au niveau des cabines du pont 10, soit juste sous le filtre disposé au niveau du pont 11.
1.3.6. Bruit
Compte tenu qu’Andritz met avant les capacités d’absorption du bruit du FAP, et pour des raisons de gain de poids, il est décidé de retirer les silencieux d’échappement d’origine du moteur de propulsion et du groupe électrogène.
Ces silencieux sont conçus pour absorber le bruit induit par le fonctionnement des machines et permettre une réduction du bruit de 35dB. Cette valeur est spécifiée dans le manuel du fabricant Le critère retenu pour le bruit est donc une atténuation similaire aux silencieux d’origine, soit au moins 35 dB.
1.3.7. Maintenance et automatisation
La maintenance et l’automatisation sont des éléments majeurs pour un armateur qui décident d’investir dans un équipement supplémentaire sur un navire.
Le système ne doit pas engendrer une surcharge de maintenance impliquant l’ajout de ressources supplémentaires à bord.
Deux conditions sont retenues pour satisfaire ce critère :
- Maintenance : le système ne doit pas générer plus de maintenance que celle décrite dans le manuel de conduite du système ;
- Automatisation : Le système ne doit pas nécessiter d’action « humaine », ni générer des alarmes durant les phases de traversées de nuit.
2. Principales étapes
Dans ce projet, La Méridionale a souhaité être à la fois Maître d’Ouvrage et Maître d’œuvre. Cependant, la Maitrise d’œuvre pour la pose de la structure porteuse et les modifications de structure du navire a été réalisée par les Chantiers de l’Atlantique. De même, la Maitrise d’œuvre pour la pose des éléments filtrants a été réalisée par Andritz.
Toutes les autres activités ont été pilotées par les équipes de La Méridionale.
2.1. Tâche 1 : Etudes Basic et Detail design
Cette tâche s’est déroulée sans difficultés particulières, hormis la modification régulière de certains paramètres d’entrée comme le poids. En effet, la méconnaissance de cette technologie et des « bonnes pratiques » (choix des matériaux) a généré une modification régulière des plans et des calculs de stabilité.
2.1.1.
Basic Design
Le cabinet d’étude Orion était chargé de la gestion du Basic Design (conception générale), que ce soit pour la configuration du test (1 moteur de propulsion + 1 groupe électrogène), ou pour le cas du retrofit complet du navire de manière préliminaire (tous les moteurs + chaudières). Cette étude comprenait les sous-tâches suivantes :
- Interface avec la société Andritz (fournisseur du filtre) ;
- Gestion de l’approbation du système par la société de classe et le pavillon ; - Emplacement préliminaire des filtres ;
- Volume, position et technologie des réservoirs intégrés ; - Position des tanktainers/citernes ;
- Forme 3D préliminaire sarcophage ; - Rendus 3D / Intégration ;
- Principe de structure de l'enveloppe de protection ; - Lestage et cas de chargement ;
- Définitions préliminaires des cheminements ;
- Échappements 4 moteurs, 3 groupes électrogènes (GE) et 2 chaudières ; - Injection et retour bicarbonate ;
- Injection eau/air ;
- Bilan de puissance préliminaire et distribution électrique ; - Calcul du nombre d’armement ;
- Devis des masses ; - Calculs de stabilité ; - Calcul des accélérations ;
- Définition des renforts de la structure existante ; - Calculs des pressions règlementaires sur sarcophage ; - Echantillonnage préliminaire sarcophage ;
- Définition de l'emplacement définitif des filtres ;
- Définition des réservoirs (possibilité d'intégrer dans les mailles vides) ; - Design visuel du sarcophage et rendu 3D ;
- Définition de la structure du sarcophage ; - Définition du lestage et des cas de chargement ; - Déplacement / modifications du mât, plans des feux ;
- Autres schémas tuyautage et instrumentation (interventions, auxiliaires, air comprimé) ; - Conception ventilation et conditionnement d’air (HVAC) pour le sarcophage ;
- Définition distribution électrique ;
- Répartition de charge (Load balance) ; - Devis des masses ;
- Calculs de stabilité ; - Calcul des accélérations ;
- Calculs des pressions règlementaires sur sarcophage ; - Bilan de puissance électrique ;
- Livrables de « basic design » pour la Classe « Basic » ; - Présentation à la classe du projet ;
- Justification de la stabilité incluant devis de poids ; - Plan d’ensemble (General Arrangement) ;
- Mise à jour des plans généraux / plans de Classe ;
- Plans de sécurité réglementaires (Safety plan : incendie, évacuation, engins de sauvetage);
- Mise à jour des autres plans existants impactés ; - Devis des poids / suivi des poids ;
- Dossier de stabilité à l'état intact ; - Dossier de stabilité après avarie.
Figure 13 : Exemple plans Basic Design (source Orion)
2.1.2.
Detail Design
Le département BU des Chantiers de l’Atlantique était chargé de la gestion du Detail Design, que ce soit pour la configuration du test (1 moteur de propulsion + 1 groupe électrogène), ou pour le cas du retrofit complet du navire de manière préliminaire (tous les moteurs + chaudières). Cette étude comprenait les sous-tâches suivantes :
- Management du scan 3D ;
- Schéma de tuyautage et instrumentation global système de traitement des fumées ; - Conception du réseau ventilation (HVAC) pour les mailles vides V5 ou V6 ;
- Définition des cheminements des circuits ; - Échappement ;
- Injection et retour bicarbonate ; - Injection eau/air ;
- Électrique ; - Air comprimé ;
- Supportage des filtres sur pont ; - Supportage des autres équipements ; - Renforts de structure existante ; - Modes propres dans la structure ;
- « Basic design » Bruit dans les conduits et filtres, bruits solidiens ;
- Rédaction spécifications de travaux chantier ATb (cas de la structure porteuse) ; - Rédaction spécifications approvisionnement matière (TU, EL etc) ;
- Rédactions spécifications équipements hors filtres (vanne 3 voies etc) ; - Dossier structure détaillée pour consultation / construction ;
- P&ID global système traitement fumées ; - PID AUTRES –tels que construits (as built) ; - Plan de la modification de l'échappement ; - Cheminements détaillés - plan de coordination ; - Modifications des réseaux existants – isométriques ; - Plans de Classe;
- Mise à jour des autres plans existants impactés (portes, escaliers, équipements etc) ; - Structure générale ;
- Structure locale ;
- Tenue en fatigue des structures;
- Bruits/vibrations ;
- Pertes de charge/contre-pression.
Figure 14 : Exemple Plans Detail Design (source Chantier de l’Atlantique)
2.1.3.
Pilotage projet
La Méridionale était en charge des éléments suivants :
- Préparation contrat avec Chantier Naval De Marseille pour arrêts techniques (AT) 2018 (pose de la structure porteuse) ;
- Préparation Arrêt Technique (AT) du navire en mars 2019 pour intégration des éléments - Préparation contrat Andritz/Solvay ;
- Calcul de l'estimation générale des coûts ; - Interface avec Andritz ;
- Interface avec chantier ;
- Gestion des interfaces entre participants (sous-traitants) ; - Management du projet ;
- Suivi des dépenses (Cost control) ;
- Définition de la logistique pour chargement / déchargement bicarbonate ; - Évaluation économique (ROI) ;
- Déport Contrôle commande FAP sur supervision globale navire ; - Rédaction spécification pour filtres à particules ;
- Achats AT chantier 2018 ; - Achats Stop Technique 2019 ; - Achats filtres et auxiliaires ;
- Achats équipements hors filtre et auxiliaires ; - Achats pour l'installation du lest solide ; - Achats divers ;
- Logistique, livraisons, stockage ;
- Intégration au système de commande du navire/instrumentation ; - Contrôle commande supervision.
2.2. Tâche 2 : Production
Cette tâche concerne tous les éléments de production. Elle a été pilotée directement par La Méridionale qui a pris en sous-traitance directe la production (sous-traitants, chantier naval de Marseille). Seule la production des filtres et des périphériques du process a été prise en charge par Andritz.
Les principaux postes ont été les suivants :
- La réalisation du penthouse en aluminium ; - La structure porteuse ;
- Les nouveaux tuyaux d’échappement (Moteur principal + groupe électrogène) ; - Le système de réfrigération des gaz d’échappement du groupe électrogène ; - Le tuyautage du Bicarbonate de sodium ;
- Le tuyautage du résidu ;
- Le tuyautage d’air comprimé et de refroidissement des compresseurs ; - La mise en place des filtres et équipements ;
- L’isolation et le bardage des filtres ;
- Le câblage puissance et commande du système ;
- Les modifications de la structure des emménagements sous les filtres ;
- Les modifications de la structure de la maille vide et de la caisse eau douce pour le lest ; - Le coulage du lest liquide.
2.3. Tâche 3 : Intégration
La phase d’intégration a été la plus critique, et a été découpée comme suit :
- Une première mise en place des éléments de structures/tuyauteries/électricité durant les 5 semaines d’arrêt technique périodique de novembre 2018 ;
- Une finalisation (mise en place des filtres, des échappements) pendant les 3 semaines du stop technique exceptionnel de mars 2019.
La société ORION a été en charge des éléments suivants : - Devis des poids / suivi des poids.
Chantiers de l’Atlantique a été en charge des éléments suivants : - Stratégie, méthodes, découpage lots ;
- Industrialisation & préparation ; - Pré-recette (commissioning).
La Méridionale a été en charge des éléments suivants :
- Logistique sur chantier (levages, transfert, stockage chantier) ; - Gestion DNV-GL (société de classe) durant AT ;
- Suivi de chantier.
Figure 15 : Mise en place de la structure porteuse en novembre 2018
Figure 16 : Livraison des filtres en février 2019
Figure 17 : Mise à bord des filtres en mars 2019
Figure 18 : Mise en place des échappements en mars 2019
Figure 19 : Mise en place des éléments filtrants en mars 2019
Figure 20 : Vue arrière des filtres Pont, le 11 mars 2019
2.4. Tâche 4 : Mise en route
La mise en route et l’optimisation ont débuté à partir du 6 mai 2019. Il s’en est suivi un mois de recette et de mise au point du système.
La recette a été réalisée en présence de la société de classification DNV-GL afin de certifier le système selon la convention SOLAS (MED approval) et MARPOL, aboutissant à l’émission du certificat « Module G », autorisant le navire à utiliser un système de traitement des fumées.
La Méridionale était en charge des éléments suivants : - Procédure de recette;
- Acceptation (Factory Acceptance Test) ;
- Mesures bruits / vibrations avant / après travaux.
La société Andritz était en charge des éléments suivants : - Performance du process FAP.
Figure 21 : Mesures SO2 et approbation DNV-GL en mai 2019
Figure 22 : Certification MARPOL Module G DNV-GL en mai 2019
2.5. Tâche 5 : Optimisation
L’optimisation du process et du système dans son ensemble s’est déroulée sur deux mois. Elle a été réalisée par Andritz sous la supervision de La Méridionale, du 15 mai au 15 juillet 2019.
Le fonctionnement du process sur le navire a généré des adaptations, comme l’amélioration du système
« eau industrielle » du navire, du système de collecte des poussières lors du transfert du BICAR, l’adaptation de la supervision du navire pour la gestion des alarmes, ou la modification du programme de l’automate Andritz.
C’est également lors de cette phase qu’ont été effectuées les premières mesures d’émissions du système, mesures réalisées avec 3 types de combustibles différents :
- Du Gasoil 0,1% de soufre ;
- Du HFO (fuel lourd) 1,5% de soufre (le combustible réglementaire à l’époque des mesures) ; - Du HFO 2,5% de soufre (l’équivalent du HSFO autorisé depuis MARPOL2020 en cas
d’utilisation d’un système de traitement des gaz).
L’objet de cette première campagne (préliminaire) était, d’une part, d’avoir un aperçu de l’efficacité du système avant la fin du test prévue en octobre 2019, mais également de préparer la société CERTAM aux mesures finales.
2.6. Tâche 6 : Mise en exploitation par le Bord
La phase de mise en exploitation par le personnel naviguant de La Méridionale a débuté partir du 16 juillet 2019 pour une période de 2 mois.
Cette mise en exploitation correspond à une période d’utilisation du système par La Méridionale dans des conditions normales d’opérations. Toute période d’arrêt du système pour des raisons techniques reporte d’autant la fin de la période d’essai.
Cette période a été complexe, car elle a montré certaines « incompatibilités » avec l’organisation des équipes, et il a fallu adapter la conduite du système, mettre en place des procédures, etc.
Cette période a pris plus de temps que prévu (environ 2 semaines de retard), et s’est étirée jusqu’à la fin du projet. Depuis, les équipes de La Méridionale travaillent encore à l’adéquation de la conduite du FAP et de l’organisation des équipes (cf chapitre BILAN).
2.7. Tâche 7 : Mesures émissions et validation système
C’est durant la dernière semaine de la période de mise en exploitation, soit début septembre 2019, que la société CERTAM devait effectuer les relevés d’émissions permettant de statuer sur les performances du système FAP en termes de réduction des émissions (SOx, NOx, particules, COV, métaux lourds).
Contractuellement avec Andritz et Solvay, le rapport compilant toutes les mesures réalisées durant la période de mise en d’exploitation devait être remis à La Méridionale par CERTAM dans les 2 semaines suivant la fin de la période de mesure, soit fin septembre.
Les mesures ont été principalement réalisées dans des conditions normales d’exploitation, c’est-à-dire à des niveaux de charge du moteur représentatives de situations de « route moyenne ». Des mesures à plus faibles charges, plus représentatives de la manœuvre, ainsi que des mesures à charge maximale ont également été faites.
Cette campagne de mesure a fait suite aux premiers essais réalisés entre le 17 et le 20 juin 2019 sur la liaison régulière Marseille – Bastia. Elle devait permettre de conforter les premiers résultats mais également d’apporter des informations supplémentaires, notamment au regard de la mesure des poussières totales en sortie du système de dépollution à l’aide d’une métrologie par prélèvement selon la norme ISO-23210.
2.7.1.
Matériel métrologique mis en œuvre
Quatre analyseurs, un système de dilution, une sonde de débitmètre et un dispositif de traitement d’air ont été nécessaires pour cette campagne.
- Un granulomètre Dekati ELPI+ pour la mesure en temps réel de la distribution et de la concentration particulaire ;
- Une microbalance TEOM, pour la mesure de la concentration massique particulaire PM1 en temps réel ;
- Deux compteurs à noyaux de condensation TSI Ptrak pour les mesures rapides en air ambiant (dans les zones de travail) ainsi que pour le contrôle des granulomètres et de la qualité de l’air comprimé, traité par nos soins (nécessaire à la dilution de l’échantillon) ;
- Une baie d’analyse FTIR GASMET CX4000, pour l’analyse des gaz ;
- Un préleveur diluteur Dekati FPS pour l’échantillonnage en continu et la dilution des aérosols (particules) ;
- Une sonde de débit de type « Pitot S », équipée d’une sonde de température pour la mesure du débit ;
- Un système de traitement d’air par adsorption, pour l’obtention d’un air de dilution très sec et exempt de particules.
L’ensemble de ce matériel a été installé au niveau du pont n°12, entre le casing tribord et le
« penthouse » contenant les filtres à manches. Il représente un volume total d’environ 3 à 4 m3 pour une masse de 500kg. Le chargement à bord a nécessité une manutention assez lourde. L’ensemble des éléments a pu être amené au pont supérieur au moyen d’un palan motorisé installé sur une potence.
Ces opérations de manutention/installation ont nécessité une journée entière de travail. Le démontage a lui été réalisé sur une demi-journée en fin de campagne.
2.7.1.1. Granulomètre ELPI (Electrical Low Pressure Impactor)
Le granulomètre ELPI permet de mesurer la concentration particulaire d’un aérosol par classe de taille.
Le résultat obtenu est la distribution granulométrique de l’aérosol étudié. Le spectre couvert s’étend de 10 nm à 10 µm. La taille des particules est obtenue par classification inertielle au moyen d’une rampe d’impacteurs montés en cascade et fonctionnant à basse pression. La concentration particulaire est calculée à partir de la mesure de la charge électrique portée par les particules.
2.7.1.1.1. Sélection des particules (taille)
Ce système utilise les propriétés inertielles et aérodynamiques des particules (diamètre de Stokes ou diamètre aérodynamique), contrairement aux analyseurs de mobilité électrique (de type SMPS et DMS) qui s’appuient sur leurs propriétés électriques et aérodynamiques (diamètre de mobilité électrique). Pour trier les particules en fonction de leurs propriétés inertielles, l’ELPI utilise une rampe d’impacteurs montés en cascade. Ils sont au nombre de 13, ce qui permet d’obtenir 13 classes de taille.
Les 13 impacteurs sont tous différents. Le premier est le plus large, il ne recueille que les plus grosses particules alors que le dernier, beaucoup plus étroit, récupère les particules de quelques dizaines de nanomètres. La figure 23 donne une illustration de ce principe. Le pied de la rampe est maintenu à très basse pression (40 mbar), ce qui permet d’augmenter la vitesse des particules afin d’impacter les plus fines. Un impacteur classique fonctionnant à pression atmosphérique ne permet généralement pas d’étudier les particules dont la taille est inférieure à quelques centaines de nanomètres. La rampe de 13 impacteurs est complétée par un étage de filtration permettant d’atteindre la taille de 10 nm (0,01 µm), soit 14 classes au total.
Figure 23 : Impacteur ELPI (d’après DEKATI)
2.7.1.1.2. Comptage des particules (concentration)
Le comptage est électrique dans le cas de l’ELPI. Chaque particule venant impacter sur un des plateaux de l’impacteur lui communique sa ou ses charges électriques. Le flux de charge entre le plateau et le système de mesure (électromètre) provoque un courant électrique. Pour compter les particules de cette manière, il faut imposer à l’aérosol étudié une loi de charge connue afin que les courants mesurés soient interprétables. C’est le rôle d’un chargeur à effet couronne placé à l’entrée du granulomètre et représenté sur la Figure 244. Ce type de détection, bien qu’élémentaire en principe, fait appel à des techniques de métrologie très sophistiquées car la sensibilité des électromètres destinés à mesurer les courants électriques est très élevée (femto-ampère).
Impacteur en
Figure 24 : ELPI chargeur corona (d’après DEKATI)
Figure 25 : Exemple de distribution (moteur diesel)
Figure 25 : Exemple de distribution (moteur diesel)